Биофизики превратили живой белок в работающий квантовый бит
Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) добились прорыва: они создали квантовый бит (кубит) на основе белка — строительного элемента живой клетки. Результаты описаны Quantum Insider.
Кубит — это фундаментальная единица информации в квантовых вычислениях и квантовых датчиках. Его особенность в том, что он может находиться в нескольких состояниях одновременно, что позволяет обрабатывать данные с невероятной скоростью или чувствительностью. Но до сих пор кубиты требовали особых условий: сверхнизких температур и тщательно изолированной среды, поскольку любое «шумное» вмешательство разрушало квантовое состояние.
Команда UChicago пошла по новому пути. Вместо того чтобы пытаться встроить искусственный кубит в биологическую систему, они использовали саму природу. Ученые использовали улучшенный желтый флуоресцентный белок (EYFP). Этот белок хорошо известен биологам: его обычно применяют как «подсветку» в экспериментах — он светится под определенным светом, позволяя наблюдать, что происходит в клетке. Теперь же исследователи смогли превратить его в квантовый элемент — кубит.
Этот квантовый бит можно было создавать и контролировать с помощью микроволн, а его состояние — считывать с помощью света. Он показывал стабильность спина и признаки магнитного резонанса, как настоящий кубит. Причем работал не только в идеально чистых лабораторных условиях, но даже внутри живых клеток.
«Вместо того, чтобы взять обычный квантовый датчик и пытаться встроить его в биологическую систему, мы хотели использовать саму биологическую систему и превратить ее в кубит», — объяснил Дэвид Авшалом, руководитель проекта
Этот шаг ломает прежние представления о разделении квантовой физики и биологии. Долгое время считалось, что квантовые явления невозможны в живых системах, по той причине, что они слишком теплые, влажные и хаотичные. Однако недавние открытия показали, что это не так, а новая работа подтвердила, что квантовое поведение может существовать даже в клетке.
Хотя белковые кубиты пока уступают по точности современным квантовым сенсорам, например, созданным на основе алмазов, у них есть уникальное преимущество. Их можно закодировать в генах, встроив прямо в клетку. Это делает возможным создание «живых квантовых датчиков», которые способны регистрировать фундаментальные процессы в реальном времени.
По словам авторов, это может открыть дорогу к наблюдению таких явлений, как сворачивание белка или первые стадии развития болезней. В перспективе технология приблизит создание квантовой нано-МРТ, которая позволит рассматривать атомную структуру клеток с беспрецедентной точностью.
«Мы вступаем в эпоху, когда граница между квантовой физикой и биологией начинает растворяться. Вот где произойдет трансформационная наука», — отметил аспирант и соавтор исследования Бенджамин Соловей.
Со-главный исследователь Питер Маурер добавил, что этот эксперимент открывает новые горизонты для самой области квантовых технологий, предлагая «радикально другой подход к проектированию квантовых материалов».